Chương 7 Đa Truy Nhập Phân Chia Theo Tần Số Trực Giao Giáo Trình Đa Truy Nhập Vô Tuyến.pdf

Điều chế OFDM TS Nguyến Phạm Anh Dũng 236 Chương 7 ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO 7 1 GIỚI THIỆU CHUNG 7 1 1 Các chủ đề được trình bầy  Nguyên lý chung của OFDM  Sơ đồ và tín hiệu của[.]

 Nguyên lý chung của OFDM

 Sơ đồ và tín hiệu của một hệ thống truyền dẫn OFDM

 Sử dụng OFDM cho OFDMA

 Các thông số kênh ảnh hưởng lên hiệu năng của hệ thống truyền dẫn OFDM

 Sơ đồ và tín hiệu của một hệ thống truyền dẫn DTFS-OFDM

 Sử dụng DTFS-OFDM cho SC-FDMA

 So sánh dung lượng của đa truy nhập OFDMA, SC-FDMA với các phương thức

đa truy nhập khác như WCDMA và TDMA

 Các ảnh hường của mất đồng bộ tần số và thời gian

 Thí dụ về thông số lớp vật lý của hệ thống sau 3G LTE xây dựng trên cơ sở OFDMA/SC-FDMA

7.1.2 Hướng dẫn

 Học kỹ các tư liệu được trình bầy trong chương này

 Tham khảo thêm [2]

 Trả lời các câu hỏi và bài tập cuối chương

7.1.3 Mục đích chương

 Hiểu được nguyên lý OFDM, DFTS-OFDM

 Hiểu được nguyên lý làm việc máy phát và máy thu OFDM, DFTS-OFDM

 Tính toán thông số OFDM theo thông số kênh

 Hiểu được các phương pháp đa truy nhập OFDMA/SC-FDMA và ưu điểm của chung so với các phương pháp đa truy nhập khác

7.2 MỞ ĐẦU

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing: ghép kênh theo tần số trực giao) là một phương pháp điều chế đa sóng mang (MCM) cho phép giảm méo tuyến tính do kênh truyền dẫn vô tuyến phân tán gây ra Nguyên lý của OFDM là phân chia tổng băng thông cần truyền vào một số sóng mang con để có thể truyền đồng thời các sóng mang này Bằng cách này luồng số tốc độ cao có thể được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn Vì thế có thể giảm ảnh hưởng của trễ đa đường và chuyển đổi kênh phađinh chọn lọc thành kênh pha đinh phẳng Như vậy OFDM là một giải pháp cho tính chọn lọc của các kênh phađinh Việc chia tổng băng thông thành nhiều băng con với các sóng mang con dẫn đến giảm độ rộng băng con trong miền tần số và vì thế tăng độ dài ký hiệu Số sóng mang con càng lớn thì độ dài ký hiệu càng lớn Điều này có nghĩa là độ dài ký hiệu lớn hơn so với thời gian trải rộng trễ của kênh phađinh phân tán theo thời gian, hay độ rộng băng tần tín hiệu nhỏ hơn độ rộng băng tần nhất quán của kênh

Tổng quát, Các sơ đồ MCM chia băng thông kênh thành một số kênh con như trên hình 7.1a Lý tưởng băng thông của từng kênh con này phải đủ nhỏ để chúng không phải là các kênh pha đinh chọn lọc tần số (các kênh pha đinh phẳng), nhờ vậy máy thu chỉ cần bù trừ suy hao do pha đinh phẳng trong từng kênh con vì các kênh con này không gây ra méo xung

OFDM là trường hợp đặc biệt của MCM Trong OFDM các kênh con có thể chồng lấn lên nhau nhưng phải trực giao với nhau như trên hình 7.1b Nhờ vậy không cần các băng bảo vệ và vì thế rất tiết kiệm phổ tần

Hình 7.1 Tiết kiệm phổ tần của OFDM so với MCM: (a) MCM kinh điển, (b) OFDM

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access) được xây dựng trên cơ sở nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplex) Trong OFDMA mỗi người sử dụng được cấp phát một số sóng mang con (kênh tần số) trong tổng số sóng mang con khả dụng của hệ thống Về mặt này ta thấy OFDMA giống như FDMA, tuy nhiên nhờ

sử dụng các sóng mang con trực giao với nhau nên mật độ phổ công suất của các kênh sóng

mang con này có thể chồng lấn lên nhau mà không gây nhiễu cho nhau

OFDMA thường được kết hợp với TDMA Hình 7.2 cho thây lưới tần số-thời gian của một hệ thống OFDMA bao gồm các người sử dụng được ký hiệu từ a đến g Thí dụ trên hình vẽ này cho thấy mỗi người sử dụng không chỉ được cấp phát một số sóng mang con trực giao (số sóng mang con cho mỗi người sử dụng có thể khác nhau) mà còn được cấp phát một trong bốn khe thời gian của từng chu kỳ cấp phát

Trong các ứng dụng thông tin di động, OFDMA có ưu điểm rất lớn về khả năng đề kháng đối với ảnh hưởng của truyền tín hiệu đa đường Khả năng đề kháng này đạt được nhờ việc hệ thống OFDM phát thông tin trên N sóng mang con băng hẹp trực giao với mỗi sóng mang con hoạt động tại tốc độ bit chỉ bằng 1/N tốc độ bit của thông tin cần truyền Tuy nhiên dạng sóng OFDM thể hiện sự thăng giáng đường bao rất lớn dẫn đến PAPR cao Tín hiệu với PAPR cao đòi hỏi các bộ khuếch đại công suất có tính tuyến tính cao để tránh làm méo tín hiệu Để đạt được mức độ tuyến tính này, bộ khuếch đại phải làm việc ở chế độ công tác với độ lùi (so với điểm bào hòa) cao Điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng công suất (tỷ số công suất phát với công suất tiêu thụ một chiều) thấp vì thế đặc biệt ảnh hưởng đối với các thiết bị cầm tay Một vấn đền khác gặp phải ở OFDMA trong các hệ thống thông tin

di động là cần dịch các tần số tham chuẩn đối với các đầu cuối phát đồng thời Dịch tần phá hoại tính trực giao của các cuộc truyền dẫn đến nhiễu đa truy nhập

Để khắc phục nhược điểm này, 3GPP đã nghiên cứu sử dụng phương pháp đa truy nhập đường lên sử dụng DFTS-OFDM với tên gọi là SC-FDMA và áp dụng cho LTE Giống như trong OFDMA, các máy phát trong hệ thống SC-FDMA sử dụng các tần số trực giao khác nhau (các sóng mang con) để phát đi các ký hiệu thông tin Tuy nhiên các ký hiệu này được phát đi lần lượt chứ không phải song song Vì thế không như OFDMA, cách sắp xếp này làm giảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu của dạng sóng phát Vì thế các tín SC-FDMA có PAPR thấp hơn các tín hiệu OFDMA Tuy nhiên trong các hệ thống thông tin di động bị ảnh hưởng của truyền dẫn đa đường, SC-FDMA được thu tại BTS bị nhiễu giữa các ký hiệu khá lớn BTS sử dụng bộ cân bằng thích ứng miền tần số để loại bỏ nhiễu này Cách tổ chức này phù hợp cho các hệ thống thông tin di động nó cho phép giảm yêu cầu đối khuếch đại tuyến tính trong máy cầm tay với trả giá bằng bộ cân bằng thích ứng

miền tần số phức tạp trong BTS

Để hiểu rõ được nguyên lý OFDMA và SC-FDMA trứơc hết ta xét nguyên lý của ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)

7.3 NGUYÊN LÝ OFDM

Ở dạng tổng quát ta có thể trình bày tín hiệu OFDM băng tần gốc trong dạng một tập

N sóng mang con được điều chế và được truyền song song như sau:

N 1 i,k k

k i 0

t +T

* i t

j2 f t j2 f t 0

s

s

t +T

* i t

1, n u i =1

Hình 7.3 cho thấy thí dụ về sử dụng bốn sóng mang con cho một ký hiệu OFDM trong miền thời gian (hình 7.3a) và trong miền tần số (hình 7.3b) cho các trường hợp fi=1/T, 2/T, 3/T và 4/T (với giả thiết là Ai,k=1)

-0,2 0

0,4 0,6 0,8

a) Ví dụ sử dụng 4 sóng mang

OFDM trong miền thời gian

1/T T

Hình 7.3 Thí dụ về sử dụng bốn sóng mang con cho một ký hiệu OFDM

Từ hình 7.3 ta thấy trong miền thời gian, để đảm bảo điều kiện trực giao, các sóng mang con có số chu kỳ trong một ký hiệu OFDM (T) là một số nguyên Trong miền tần số mỗi sóng mang con của một ký hiệu OFDM có mật độ phổ công suất dạng sinx/x với

sóng mang xẩy ra tại các tần số f=i/T Tại đây mật độ phổ công suất của các sóng mang

khác đều bằng không

Nhờ tính trực giao (7.3), tại phía thu ta có thể giải điều chế đề tìm lại ký hiệu Xi,k

theo quan hệ sau:

Các tín hiệu OFDM chỉ được tạo ra bằng xử lý số do rất khó tạo ra các tập bộ tạo sóng khóa pha và các máy thu trong miền tương tự Để xử lý số ta lấy mẫu tín hiệu OFDM băng gốc trong (7.1) và (7.8) bằng tần số lấy mẫu N lần lớn hơn 1/T Khi này ta có thể biểu diễn ký hiệu OFDM thứ k, Fk(t), như sau:

trong đó IDFT (inverse discrete fourrier transform) là biến đổi fourrier rời rạc ngược, trong

đó Xi,k được coi như là các mẫu trong miền tần số Biến đổi Fourrier nhanh đảo (IFFT: inverse fast fourrier transform) thực hiện chức năng giống như IDFT nhưng hiệu suất hơn

về mặt tính toán nên thường được sử dụng trong các sơ đồ thực tiễn Thời gian của ký hiệu OFDM sau IFFT được ký hiệu là TFFT

7.4 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN OFDM

Sơ đồ của một hệ thống truyền dẫn OFDM được cho ở hình 7.4 Sơ đồ này gồm hai phần chính: phần xử lý tín hiệu số và phần xử lý tín hiệu tương tự Hình 7.5 cho thấy sơ đồ tương đương băng tần gốc phức

Mã hóa

kênh/đan

xen

Sắp xếp ký hiệu (điều chế)

Điều chế OFDM (IFFT)

Điều chế IQ

và biến đổi nâng tần

Giải điều chế OFDM

Biến đổi hạ tần và giải điều chế IQ

Chùm số liệu thu {yi,k }

Tín hiệu băng gốc phát s(t) Tín hiệu thu r(t)

Đồng bộ sóng mang Đồng bộ thời gian

Ước tính kênh

Hình 7.4 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

Không sử dụng

Chèn CP

Loại bỏ CP

k x

Khối k gồm N .log M bit

(M trạng thái điều chế)

k

y

k s

MAP: chuyển đổi log M bit vào ký hiệu điều chế

Khối k gồm N .log M bit sc 2

Hình 7.5 Sơ đồ băng gốc hệ thống truyền dẫn OFDM

Hình 7.6 cho thấy chùm tín hiệu Xi,k 16 QAM đưa lên điều chế OFDM

Biểu đồ chùm tín hiệu 16 QAM

0001 0000

-0,75 -1

0 -0,25

1

0,75

i ,k j

X A e

Hình 7.6 Chùm tín hiệu 16-QAM

Dưới đây ta sẽ xét các phần tử của sơ đồ truyền dẫn OFDM

7.5 XỬ LÝ TÍN HIỆU OFDM BĂNG GỐC PHÁT

7.5.1 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát

Tại phía phát trước hết luồng bit được chia thành các khối Nsclog2M bit; trong đó M là mức điều chế, log2M là số bit của một ký hiệu điều chế, M là số trạng thái điều chế và Nsc là

số sóng mang con được sử dụng để truyền các ký hiệu điều chế Khối các bit này sau đó được biến đổi nối tiếp vào song song (S/P: Serial/ Parallel) thành Nsc khối số liệu {Zn,k} (n=0,1,…, Nsc-1) với mỗi khối có log2M bit, trong đó chỉ số (n,k) biểu thị khối thứ n tại thời điểm k, Nsc là số sóng mang con được sử dụng để truyền số liệu Mỗi khối số liệu Zn,k gồm log2M bit, trong đó M là số trạng thái điều chế (chẳng hạn khối số liệu Zn,k của 16 QAM gồm log216= 4 bit) Sau đó bộ chuyển đổi MAP sẽ chuyển đổi các khối số liệu này vào ký hiệu điều chế tương ứng với vectơ xác định vị trí của điểm ký hiệu điều chế thông trường trên chùm tín hiệu điều chế thông thường (xem hình 7.6 cho 16-QAM) Các vectơ giá trị phức này thể hiện Nsc mẫu trong miền tần số và được ký hiệu bằng {Xn,k} trong đó n{ 0, 1,

…., Nsc-1} là chỉ số vectơ và k (k= - đến ) là chỉ số về thứ tự theo thời gian của tập Nsc

ký hiệu Các mẫu 0, , 1, , , 1,

sc

N-Nsc sóng mang con rỗng (bằng không) để tạo nên tập {Xi,k} (i=0,1,…, N-1) giá trị phức, trong đó N được gọi là kích thứơc FFT (FFT: Fast Fourier Transform: biến đổi Fourier nhanh) Thời gian truyền dẫn của {Xi,k} bằng TFFT, trong đó TFFT được gọi là độ dài hiệu dụng của một ký hiệu OFDM Sau đó {Xi,k} được đưa lên N đầu vào của bộ biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT) IFFTcho ra N mẫu ký hiệu trong miền thời gian {xm,k} (m=0,1,…, N-1) Các mẫu ký hiệu trong miền thời gian này được thể hiện ở các mẫu rời rạc với tần số lấy mẫu fs=Nf= . 1

T T

ở dạng các mẫu rời rạc trong miền thời gian Mẫu m tại thời điểm k trong miền thời gian được xác định theo biến đổi Fourier rời rạc ngược như sau:

Bộ biến đổi song vào nối tiếp (P/S) trong miền thời gian biến đổi chuỗi song song trong phương tình (7.10) vào chuỗi nối tiếp

Đối với OFDM ta có tín hiệu trong miền thời gian nhận được từ biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) ở dạng ma trận như sau:

Phương trình biến đổi Fourier rời rạc (DFT) có dạng sau:

Các ma trận W và W H thỏa mãn điều kiện đơn nhất (Unitary) :

với I N là ma trận đơn vị

Bộ chèn CP (Cyclic Prefix) thực hiện chèn V mẫu (độ dài TCP) của ký hiệu OFDM vào đầu ký hiệu này để được độ dài ký hiệu bằng: T=TFFT+TCP, trong đó TFFT là độ dài hiệu dụng còn TCP là khoảng thời gian bảo vệ để chống ISI (nhiễu giữa các ký hiệu) gây ra do phađinh đa đường và V mẫu được chèn là V mẫu được copy từ các mẫu cuối cùng của tín

hiệu xk Thông thường TCP được chọn bằng thời gian trễ trội cực đại (trễ của đường truyền đến muộn nhất còn được xét so với trễ của đường đến sớm nhất) Khi này tổng số mẫu đầu

ra bộ CP sẽ bằng N+V Vì thế tín hiệu sau chèn CP được biểu dạng ở dạng ma trận sau :

T s

(Khoảng cách sóng mang con)

V điểm CP Cửa sổ quan trắc N điểm

Băng thông tín hiệu: B=1/T s

Thời gian (các mẫu)

Tần số (các sóng mang con)

T (Thời gian ký hiệu OFDM)

Df=1/TFFT

(Thời gian lấy mẫu)

a) Tín hiệu OFDM rời rạc trong miền thời gian (sau chèn CP)

b) Tín hiệu OFDM rời rạc trong miền tần số

Hình 7.7 Trình bầy tín hiệu OFDM rời rạc (sau chèn CP) trong miền thời gian

0 1

N-1 N-2 i

k K-1

Thời gian (số thứ tự ký hiệu OFDM)

,

i k X

Df T

Hình 7.8 Biểu diễn tín hiệu truyền dẫn OFDM trong không gian

hai chiều (tần số-thời gian)

Bộ biến đổi số vào tương tự (DAC) cho ta tín hiệu tương tự có dạng sau:

N-1 i,k

FFT i=0

FFT i=0

T là độ dài của một ký hiệu OFDM

TFFT: thời gian OFDM: thời gian hiệu dụng của một ký hiệu OFDMM

TCP: thời gian CP

k, chỉ số của ký hiệu

i: chỉ số sóng mang, i=0,1, , N-1 hay i= -N/2, -N/2+1, , -1, 0, 1, 2, N/2-1

Xi,k là các mẫu thàn số đầu vào IFFT bao gồm các tín hiệu trên chùm tín hiệu trên chùm điều chế và các mẫu rỗng

Sau điều chế IQ và biến đổi nâng tần ta được :

i,k

FFT i=0

ký hiệu OFDM phát sau Trong trường hợp này khoảng thời gian tương quan của bộ giải điều chế cho ký hiệu được xét sẽ chồng lấn một phần lên ký hiệu trước đó (hình 7.9a) Vì thế tích phân tín hiệu đi thẳng sẽ chứa nhiễu của tín hiệu phản xạ từ ký hiệu trước đó Hậu quả là không chỉ xẩy ra nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) mà còn cả nhiễu giữa các sóng mang con (ICI: Inter Channel Interference)

Một cách khác để giải thích nhiễu giữa các sóng mang con trong kênh vô tuyến phađinh tán thời như sau Nguyên nhân tán thời của kênh là do đáp ứng tần số của kênh phađinh chọn lọc tần số Vì thế tính trực giao giữa các sóng mang không chỉ được đảm bảo bởi phân cách giữa chúng trong miền tần số mà còn bởi cấu trúc đặc thù miền tần số của từng sóng mang: thậm chí nếu kênh miền tần số không đổi đối với búp phổ chính của một sóng mang con OFDM và chỉ có các búp phổ bên bị hỏng do tính chọn lọc tần số của kênh vô tuyến, thì điều này cũng dẫn đến mất tính trực giao giữa các sóng con cùng với nhiễu giữa các sóng mang con Do các búp bên của mỗi sóng mang con OFDM lớn, nên

dù lượng tán thời đã bị hạn chế (tương ứng với tính chọn lọc tần số của kênh vô tuyến thấp) vẫn có thể xẩy ra nhiễu giữa các sóng mang con

t

Tín hiệu phản xạ

Khoảng thời gian để lấy tích phân tín hiệu đi thẳng cho biến đổi Fourier

k x

1

k

IFFT (N điểm)

phân tín hiệu đi thẳng cho biến đổi Fourier

TCP

Tín hiệu đi thẳng Tín hiệu phản xạ (N mẫu)

a) Không chèn CP

b) Chèn CP

V

Hình 7.9 Giải thích ý nghĩa chèn CP a) không chèn CP, b) chèn CP

Để giải quyết vấn đề này và làm cho OFDM có khả năng thực sự chống tán thời trên kênh vô tuyến, chèn CP (Cyclic Prefix: tiền tố chu trình) được thực hiện Chèn

CP tăng độ dài ký hiệu OFDM từ TFFT lên TFFT+TCP trong đó TCP là độ dài của CP tương ứng với việc giảm tốc độ ký hiệu OFDM Từ hình 7.9b ta thấy tương quan vẫn được thực hiện trên đoạn thời gian TFFT=1/Df và tính trực giao sóng mang con sẽ được đảm bảo ngay cả trong trường hợp kênh tán thời chừng nào đoạn tán thời còn ngắn hơn độ dài CP Nhược điểm của chèn tiền tố CP là chỉ một phầnTFFT/(TFFT+TCP) của công suất tín hiệu thu là phần thực tế được bộ giải điều chế OFDM sử dụng và điều này có nghĩa là mất một phần công suất khi giải điều chế OFDM Ngoài việc mất công suất, chèn CP còn gây ra mất băng thông vì tốc độ ký hiệu OFDM giảm trong khi độ rộng băng tần của tín hiệu không giảm

Một cách khác để giảm CP là giảm khoảng cách giữa các sóng mang Df (giảm băng thông con) tương ứng với tăng TFFT Tuy nhiên cách này làm tăng độ nhạy cảm của

truyền dẫn OFDM với sự thay đổi nhanh của kênh do trải Doppler cao và các kiểu sai số tần số khác

Cần lưu ý rằng CP không thể bao phủ toàn bộ độ dài của tán thời kênh Nói chung cần có một sự cân nhắc giữa mất công suất do CP và hỏng tín hiệu (do ISI và ICI) mà phần dư tán thời do CP không phủ hết gây ra Điều này có nghĩa rằng tồn tại một điểm tối

ưu cho độ dài CP mà việc tăng nó không ảnh hưởng xấu đến mất công suất dẫn đến giảm kích thước ô và ngược lại việc giảm nó không làm ảnh hưởng xấu đến hỏng tín hiệu Ngoài ra có thể giảm thời gian tán thời bằng cách sử dụng các bộ cân bằng trong miền tần

số cho từng sóng amng con

Chèn thường được thực hiện trước bộ biến đổi song song thành nối tiếp kết hợp với quá trình IFFT như trình bày trên hình 7.10

Các sóng mang con bằng không

,



N V k x

,



N V k x

1,



N k x

Hình 7.10 Tầng IFFT gồm cả biễn đổi IFFT và chèn CP

7.5.2 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía thu

Tin hiệu phát đi qua kênh truyền dẫn đa đường tuyến tính trước khi đến máy thu Vì thế tín hiệu băng gốc đầu vào máy thu (đầu ra kênh) có dạng sau (xem phương trình 6.78):

trong đó h(t) là độ lợi kênh và n(t) là tạp âm Gauss trắng cộng và  ký hiệu cho tích chập Bộ biến đổi từ tương tự vào số (ADC) sẽ biến đổi y(t) vào số, bộ loại bỏ CP sẽ loại

CP Qua trình loại CP được thực hiện bằng tích chập vòng

Đối với kênh tuyến tính ta có thể mô hình hoá kênh truyền dẫn kênh đa đường là một

bộ lọc đường teex gồm V nhánh có các hệ số nhánh [h0, h1, …., hV-1]Tm trong đó V là số mẫu CP Trong Miền thời gian khi này tín hiệu thu có dang sau:

V 1 m,k (m ),k k 0

Hình 7.11 giải thích quá trình tích chập dịch vòng giữa đáp ứng kênh xung kim h và

x đầu vào cho hai mẫu đầu tiên của

1



V h

2



V h

1

 

N V x

2



V h

1

 

N V x

Hình 7.11 Minh họa quá trình tích chập quay vòng giữa đáp ứng kênh xung kim h và

Sau bộ loại bỏ CP, V mẫu của CP bị loại bỏ và N mẫu còn lại là các mẫu của tín hiệu hữu ích Bộ biến đổi nối tiếp vào song song cho ra N luồng song song ứng với N mâu của tín hiệu thu trong miền thời gian:  , 

( )

i

y m (m=0,1, ,N-1) Các mẫu thời gian này được đưa lên bộ biến đổi FFT để chuyển đổi từ miền thời gian vào miền tần số Phép FFT được thực

hiện bằng cách nhân ma trận FFT W trong biểu thức (7.14) với y’ trong phương trình

(7.29), kết quả cho ta tín hiệu thu trong miền tần số:

 

­êng chÐo '

Tín hiệu đầu ra bộ biến đổi nối tiếp vào song song sẽ là chuỗi bit số liệu dài

Nsclog2M

Để loại trừ hơn nữa ISI hệ thống truyền dẫn OFDM sử dụng bộ cân bằng miền tần số Tổng quát ta có thể biểu diễn toàn bộ các bước xử lý tín hiệu của một hệ thống thông tin OFDM với các tín hiệu ở dạng vectơ như trên hình 7.12

Hình 7.12 Hệ thống thông tin OFDM băng gốc với các tín hiệu ở dạng vectơ

7.5.3 Ước tính kênh và cân bằng miền tần số (FDE)

Kênh OFDM bao gồm tổ hợp điều chế OFDM (xử lý IFFT), kênh vô tuyến tán thời

và giải điều chế OFDM (xử lý FFT) được mô tả ở dạng kênh miền tần số trên hình 7.13

Nếu coi rằng CP đủ lớn (khi này tích chập kênh vô tuyến tán thời trong khoảng thời gian lấy tích phân TFFT của bộ giải điều chế có thể coi là tích chập dịch vòng tuyến tính), thì từ phương trinh (7.33) các nhánh kênh miền tần số H0,…, HNsc-1 có thể được rút ra trực tiếp từ các đáp ứng kênh lên xung kim trong miền tần số như trên hình 7.13 (hình vẽ phía dưới)

IFFT (N điểm)

Hình 7.13 Mô hình kênh OFDM trong miền tần số

Để khôi phục lại ký hiệu phát cho quá trình xử lý tiếp theo (chẳng hạn tách ký hiệu

số liệu và giải mã kênh), máy thu phải nhân X i với phức liên hợp chuyển vị của Hi: *

i

H (hình 7.14) Quá trình này thường được gọi là cân bằng một nhánh và được áp dụng cho từng sóng mang con được thu Để có thể thực hiện điều này, máy thu phải ước tính các nhánh kênh miền tần số H0,H1,…,HNsc-1 Chuỗi ký hiệu đầu ra trong trường hợp này được xác định như sau:

k k k



sc N X

1



sc N

Máy thu

Hình 7.14 Mô hình kênh phát thu OFDM miền tần số với bộ cân bằng một nhánh

Các nhánh kênh miền tần số có thể được ước tính gián tiếp bằng cách trước hết ước tính đáp ứng kênh lên xung kim sau đó tính toán Hi Tuy nhiên phương pháp nhanh hơn là ước tính các nhánh kênh miền tần số trực tiếp Trong trường hợp này hệ thống chèn các ký hiệu tham chuẩn (còn được gọi là các ký hiệu hoa tiêu) tại các khoảng thời gian quy định trong lưới thời gian tần số của OFDM (hình 7.15) Do biết trước được các ký hiệu tham khảo này nên máy thu có thể ước tính kênh miền tần số xung quanh vị trí ký hiệu tham khảo Các ký hiệu tham khảo phải có mật độ đủ lớn cả trong miền thời gian và miền tần số

để có thể đảm bảo các ước tính kênh cho toàn bộ lưới thời gian tần số ngay cả trong trường hợp các kênh vô tuyến bị phađinh chọn lọc tần số và thời gian cao

Ký hiệu tham chuẩn Thời gian

Tần số

Hình 7.15 Các ký hiệu tham khảo trên trục thời gian tần số

7.6 XỬ LÝ TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN OFDM

Hình 7.16 cho thấy sơ đồ điều chế vô tuyến cho tín hiệu OFDM băng gốc phức Tại phía phát, tín hiệu sô nhánh I và nhánh Q từ phần xử lý tín hiệu băng gốc được đưa quan các

bộ biến đổi số thanh tương tự (DAC: Digital to Analog Converter) sao đó qua các bộ lọc thông thấp rồi lên bộ điều chế IQ và biến đổi nâng tần để được tín hiệu vô tuyến sRF(t)

LPF DAC

LPF DAC

Bé t¹o sãng mang RF

Hình 7.16 Sơ đồ điều chế vô tuyến cho tín hiệu OFDM băng gốc

Tín hiệu vô tuyến được biểu diễn như sau:

FFT i=0

T là độ dài ký hiệu OFDM

TFFT là thời gian FFT, phần hiệu dụng của ký hiệu OFDM

TCP là thời gian bảo vệ, thời gian của tiền tố chu trình

fc là tần số trung tâm của phổ

f=1/TFFT là phân cách tần số giữa hai sóng mang

N là độ dài FFT, số điểm FFT

k là chỉ số về ký hiệu được truyền

i là chỉ số về sóng mang con, i{0, 1, 2, …., N1} hay i{N/2, N/2+1, 1, 0, +1, …., N/2}

-Xi,k là vectơ điểm chùm tín hiệu, là ký hiệu phức (số liệu, hoa tiêu, rỗng) được điều chế lên sóng mang con i của ký hiệu OFDM thứ k

Do các bộ lọc thông thấp được sử dụng để biến đổi số vào tương tự và ngược lại (DAC and ADC) cho các tín hiệu phát và thu (băng gốc) nên không phải tất cả N sóng mang con đều được sử dụng Các sóng mang con gần với tần số Nyquist fs/2 sẽ bị suy giảm bởi bộ lọc và vì thể không thể sử dụng cho truyền dẫn số liệu (hình 7.17) (fs=1/Ts là tần số lấy mẫu) Ngoài ra sóng mang con DC có thể bị méo rất lớn do dịch một chiều (DC) của các bộ ADC và DAC vì thế cũng cần tránh sử dụng nó cho số liệu

Hàm truyền đạt của máy phát/ máy thu

Các sóng mang con sử dụng được DC Các sóng mang con sử dụng được

Tần số Chỉ số sóng mang con i

Hình 7.17 Hàm truyền đạt của máy phát/thu và ảnh hưởng của nó lên thiết kế

hệ thống OFDM

Để có thể sử dụng sóng mang con DC, ta có thể sử dụng sơ đồ điều chế số trước khi đưa lên bộ chuyển đổi số vào tương tự (DAC: digital analog converter) như trên hình 7.18

Hình 7.18 Điều chế số kết hợp biến đổi nâng tầng

7.7 LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ OFDM CƠ SỞ

Các thông số của OFDM được tổng kết trong bảng 7.1

Bảng 7.1 Các thông số của OFDMA

WiMAX

tiêu/ rỗng

768

TCP Thời gian bảo vệ (CP) TCP=GTFFT 11,4 s

Để sử dụng OFDM cho truyền dẫn trong thông tin dộng, cần lựa chọn các thông số

cơ sở dưới đây:

 Khoảng cách giữa các sóng mang con Df

 Số sóng mang con N cùng với khoảng cách giữa sóng mang con quyết định toàn

bộ băng thông truyền dẫn của tín hiệu OFDM

 Độ dài CP: TCP Cùng với khoảng cách giữa các sóng mang Df=1/TFFT, TCP quyết định độ dài ký hiệu OFDM: T=TCP+TFFT, hay tốc độ ký hiệu OFDM

7.7.1 Khoảng cách giữa các sóng mang con của OFDM

Tồn tại hai tiêu chí cần cân nhắc trong việc chọn sóng mang con:

 Khoảng cách giữa các sóng mang con càng nhỏ càng tốt (TFFT càng lớn càng tốt) để giảm thiểu tỷ lệ chi phí cho CP: TCP/(TFFT+TCP)

 Khoảng cách giữa các sóng mang con quá nhỏ sẽ tăng sự nhạy cảm của truyền dẫn OFDM đối với trải Doppler

Khi truyền qua kênh phađinh vô tuyến, do trải Doppler lớn, kênh có thể thay đổi đáng

kể trong đoạn lấy tương quan TFFT dẫn đến trực giao giữa các sóng mang bị mất và nhiễu giữa các sóng mang

Trong thực tế, đại lượng nhiễu giữa các sóng mang có thể chấp nhận rất lớn tùy thuộc vào dịch vụ cần cung cấp và mức độ tín hiệu thu chịu được tạp âm và các nhân tố gây giảm cấp khác Chẳng hạn tại biên của một ô lớn tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu có thể khá thấp khi tốc độ số liệu thấp Vì thế một lượng nhỏ nhiễu bổ sung giữa các sóng mang con do trải Doppler có thể bỏ qua Tuy nhiên trong các trường hợp tỷ số tạp âm cộng nhiễu cao chẳng hạn trong các ô nhỏ hay tại vị trí gần BS, khi cần cung cấp các tốc độ số liệu cao, cùng một lượng nhiễu giữa các sóng mang con như trên cũng có thể gây ảnh hưởng xấu hơn nhiều

Cần lưu ý rằng ngoài trải Doppler, nhiễu giữa các sóng mang con cũng xẩy ra do hoạt động không chính xác của máy phát và máy thu như: các sai số tần số và tạp âm pha

7.7.2 Số lượng các sóng mang con

Sau khi đã chọn được khoảng cách giữa các sóng mang con theo môi trường (dựa trên cân nhắc giữa trải Doppler và tán thời), số lượng các sóng mang con được xác định dựa trên băng thông khả dụng và phát xạ ngoài băng

Độ rộng băng tần cơ sở của tín hiệu OFDM bằng Nsc.Df, nghĩa là số sóng mang con nhân với khoảng cách giữa các sóng mang con Tuy nhiên phổ của tín hiệu OFDM cơ sở giảm rất chậm bên ngoài độ rộng băng tần OFDM cơ sở (hình 7.19) Lý do gây ra phát xạ ngoài băng lớn là việc sử dụng tạo dạng xung chữ nhật dẫn đến các búp sóng bên giảm tương đối chậm Tuy nhiên trong thực tế lọc hoặc tạo cửa sổ miền thời gian được sử dụng để loại bỏ phần lớn các phát xạ ngoài băng của OFDM Trong thực tế cần dành 10% băng tần cho băng bảo vệ đối với tín hiệu OFDM Chẳng hạn nếu băng thông khả dụng là 5MHz thì

độ rộng băng tần OFDM P.Df chỉ có thể vào khoảng 4,5MHz Giả sử hệ thống OFDMA sử dụng khoảng cách giữa các sóng mang là 15kHz, thì điều này tương đương với vào khoảng

300 sóng mang con trong 5MHz

-3,5 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,5 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

30,0 20,0 10,0 0,0 -10,0 -20,0 -30,0 -40,0 -50,0

7.7.3 Độ dài CP

Về nguyên tắc, độ dài CP TCP phải bao phủ được độ dài cực đại của tán thời dự tính

có thể xẩy ra Tuy nhiên tăng độ dài CP mà không giảm Df dẫn đến tăng chi phí công suất cũng như băng thông Mất công suất dẫn đến kích thước ô giảm và hệ thống bị hạn chế nhiều hơn bởi công suất, vì thế cần có sự cân đối giữa mất công suất cho CP và thiệt hại tín hiệu do tán thời không được CP bao phủ hết Ngoài ra mặc dù khi kích thước ô tăng tán thời tăng, nhưng khi kích thước ô vượt quá một giá trị nào đó cũng không nên tăng TCP, vì mất công suất có thể gây ảnh hưởng xấu lên tín hiệu nhiều hơn ảnh hưởng của tán thời do không được phủ hết bởi CP

Một lý do để có thể phải sử dụng TCP dài hơn liên quan đến trường hợp truyền dẫn đa

ô với việc sử dụng SFN (Single-Frequency Network) mà sẽ xét trong phần sau

Như vậy để tối ưu hiệu năng đối với các môi trường khác nhau, một số hệ thống OFDM hỗ trợ nhiều độ dài CP Các độ dài CP khác nhau này có thể được sử dụng trong các trường hợp sau:

 CP ngắn hơn trong các môi trường ô nhỏ để giảm thiểu chi phí cho CP

 CP dài hơn trong các môi trường có tán thời rất lớn và đặc biệt trong trường hợp SFN

Tổng kết lại ba tiêu chuẩn sau được sử dụng để định cỡ các thông số của OFDM

1 TCPmax để tránh ISI

2 f D

1

f 

3 TCPDf<<1 để đảm bảo hiệu suất phổ

7.7.4 Ảnh hưởng của lựa chọn các thông số cơ sở lên thông lượng hệ thống truyền dẫn OFDM

Trong một hệ thống truyền dẫn vô tuyến, ta biết rõ rằng mức điều chế và tỷ lệ mã ảnh hưởng lên thông lượng Trong các hệ thống OFDM, do truyền dẫn song song nên có nhiều thông số quyết định thông lượng hơn

Trước hết xét trường hợp đơn giản với giả thiết là cấu hình các sóng mang con giống nhau, nghĩa là tất cả các sóng mang con đều có chung một cấu hình (điều chế, mã hóa, băng thông, công suất…) Trong trường hợp này tốc độ bit tổng của hệ thống OFDM bằng:

Nếu ta coi rằng rc là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, Nsc là số sóng mang con được sử dụng, T là thời gian ký hiệu, B là độ rộng băng tần của tín hiệu thông tin hay số liệu, TFFT là thời gian FFT, phân cách sóng mang con là f=1/TFFT và FSR là tỷ số thời gian FFT và thời gian ký hiệu OFDM, tốc độ bit tổng được xác định như sau:

Ta dễ ràng nhận thấy rằng để tăng Nsc/T ta cần tăng Nsc giữ T không đổi hoặc giảm

T giữ Nsc không đổi Ta có thể sử dụng ba phương pháp để tăng tốc độ bit: (1) tăng mức điều chế hoặc tỷ lệ mã, (2) tăng băng thông truyền dẫn thông tin, (3) tăng FSR Ta chỉ có thể

sử dụng các phương pháp này khi tình trạng kênh cho phép thay đổi các giá trị này của các thông số này

Khi cho trước băng thông truyền dẫn và giả thiết rằng toàn bộ băng thông này và các sóng mang đều được sử dụng để truyền thông tin, ta có thể biểu diễn tốc độ bit tổng cực đại như sau:

Đối với trường hợp tổng quát ta không thể sử dụng cấu hình các sóng mang con như nhau, mỗi sóng mang con sẽ có các giá trị thông số khác nhau Trong trường này tốc độ bit tổng sẽ là tổng tốc độ bit của từng sóng mang con Khi này ta có thể viết:

các sóng mang con giống nhau: Rci=Rc, Mi=M, FSRi=FSR và fi=f, phương trình (7.42) chuyển thành phương trình (7.41)

7.8 ẢNH HƯỞNG CỦA THAY ĐỔI MỨC CÔNG SUẤT TỨC THỜI

Một trong số các nhược điểm của truyền dẫn OFDM là sự biến động lớn trong công suất phát tức thời dẫn đến giảm hiệu suất bộ khuếch đại công suất và tiêu thụ công suất của đầu cuối di động cao hơn hoặc phải giảm công suất phát ra dẫn đến giảm cự ly phủ sóng

Các tín hiệu OFDM có tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR: Peak to Average Power Ratio) cao hơn các tín hiệu đơn sóng mang Lý do là vì trong miền thời gian tín hiệu đa sóng mang là tổng của nhiều tín hiệu đơn sóng mang băng hẹp Tại một số thời điểm tổng này có giá trị lớn trong khi đó tại một số thời điểm khác tổng này có giá trị nhỏ,

vì thế giá trị đỉnh tín hiệu lớn hơn nhiều so với giá trị trung bình PAPR là một trong các vấn đề mà việc thực hiện OFDM phải đối đầu, vì nó giảm hiệu suất và vì thế tăng giá thành

bộ khuyếch đại công suất vô tuyến và đây cũng là phần tử đắt tiền nhất trong thiết bị vô tuyến Trong phần này ta sẽ nghiên cứu vấn đề PAPR, giải thích tính nghiêm trọng của nó trong truyền dẫn OFDM và trình bầy ngắn gọn một số phương pháp giảm nó

7.8.1 Vấn đề PAPR

Khi một tín hiệu có giá trị đỉnh cao đựơc truyền qua một thiết bị phi tuyến như bộ khuếch đại công suất cao hay bộ biến đổi số vào tương tự, nó sẽ sinh ra năng lượng ngoài băng và méo trong băng (chùm tín hiệu trong không gian tin hiệu bị nghiêng và phát tán) Các giảm cấp này có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng lên hiệu năng hệ thống Tính cách phi tuyến của bộ khuếch đại công suất cao có thể được đặc trưng bởi các đáp ứng điều chế biên độ/điều chế biên độ (AM/AM) và chế biên độ và điều chế biên độ/điều chế pha (AM/PM) Hình 7.21 cho thấy một đáp ứng AM/AM điển hình của một bộ khuyếch đại công suất cao cùng với các miền lùi đầu vào và đầu ra (IBO: Input Backoff và OBO: Output Backoff)

Miền bão hòa Miền tuyến tính

Hình 7.21 Đáp ứng của bộ khuyếch đại công suất điển hình

Từ hình 7.21 ta thấy cần khai thác trong miền tuyến tính để tránh méo, vì thế giá trị đỉnh phải bị giới hạn trong miền này Để chuyển miền khai thác vào miền tuyến tính đặc tuyến AM/AM của bộ khuếch đại công suất cao, công suất trung bình đầu vào phải lùi so với điểm bão hóa một khoảng được gọi là độ lùi đầu vào (IBO: Input Backoff) vì thế công suất trung bình đầu ra cũng sẽ giảm đi một lượng được gọi là độ lùi đầu ra (OBO: Output Backoff) Việc lùi điểm công tác của bộ khuyếch đại công suất vào vùng tuyến tính làm cho hiệu suất sử dụng công suất nguồn nuôi giảm Vì phải sử dụng công suất nguồn nuôi cao

hơn để đảm bảo khuyếch đại đủ công suất tín hiệu nên thời hạn acqui sẽ giảm (rút ngắn thời gian phải nạp lại)

Độ lùi đầu vào có thể được xác định như sau:

insat in

10 lg P

Ngoài việc gây trở ngại đối với các bộ khuyếch đại công suât, PAPR cao cũng đòi hỏi độ phân giải cao hơn đối với bộ chuyển đổi số vào tương tự (DAC) tại máy phát và bộ biến đổi tương tự vào số (ADC) tại phía thu, vì dải động của tín hiệu tỷ lệ với PAPR Phân giải cao cho DAC và ADC cũng làm tăng thêm độ phức tạp và giá thành của thiết bị phát, thu

7.8.2 Các giải pháp giảm PAPR

Để loại bỏ các ảnh hưởng phi tuyến, nhiều giải pháp đựơc nghiên cứu Giải pháp đầu tiên là giảm PAPR tại máy phát bằng cách triệt đỉnh hay chuyển đổi tín hiệu Một số phát khác lại dựa trên kết cấu lại tín hiệu tại máy thu bất chấp việc đưa thêm phi tuyến Một giải pháp khác là làm méo trước tín hiệu để bù trừ đi méo phi tuyến do khuếch đại Dưới đây ta

sẽ xét các giải pháp giảm PAPR tại máy phát

7.8.2.1 Triệt đỉnh

Các kỹ thuật triệt đỉnh áp đặt một tín hiệu chống giá trị đỉnh cho tín hiệu cần khuếch đại Mặc dù phương pháp xén thường được sử dụng, nhưng cũng có các kỹ thuật triệt đỉnh quan trọng khác như: dành trước tông (TR: Tone Reversation) và mở rộng chùm tín hiêu tích cực (ACE: Active Constellation Extension)

Có thể cải thiện xén bằng một quá trình lặp xén và lọc, vì có thể dùng lọc để giảm méo trong băng Sau một số lần xén và lọc, méo trong băng dư được giảm nhờ việc đánh giá lặp và triệt tạp âm xén

Dành trước tông giảm PAPR bằng cách tăng thêm công suất cho các sóng mang con không được sử dụng (các sóng mang con rỗng) Dành trước một tập sóng mang con không

sử dụng cho truyền dẫn số liệu Các sóng mang con này được điều chế để có thể triệt bỏ các giá trị đỉnh lớn của toàn bộ tín hiệu OFDM và vì thế có thể giảm khoảng lùi của bộ khuếch đại công suất Nhược điểm của phương pháp dành trước tông là mất băng thông do không thể sử dụng một số sóng mang con cho truyền dẫn số liệu Ngoài ra tính toán phương pháp điều chế cho dành trước tông cũng rất phức tạp Để giảm PAPR người ta sử dụng giải thuật gradient và giải thuật hình chiếu Fourier Tuy nhiên các kỹ thuật này hội tụ rất chậm, vì thế

để hội tụ nhanh người ta sử dụng kỹ thuật tập tích cực

Một kỹ thuật triệt đỉnh khác là ACE Kỹ thuật này sử dụng việc kéo dài các điểm góc của chùm tín hiệu M-QAM Tuy nhiên độ lợi giảm PAPR tỷ lệ nghịch với kích thước của chùm tín hiệu M-QAM

7.8.2.2 Sắp xếp tín hiệu

Các kỹ thuật sắp xếp tín hiệu dựa trên việc bổ sung thêm thông tin dư để giảm PAPR Các kỹ thuật này bao gồm: kỹ thuật mã hóa, sắp xếp chọn lọc (SLM: Selective Mapping) và chuỗi phát phân đoạn (PTS: Partial Transmit Sequence)

Ý tưởng của các sơ đồ mã hóa là chọn một từ mã có PAPR thấp dựa trên kỹ hiệu cần phát Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu cho thấy sơ đồ này chỉ thích hợp cho số lượng sóng mang con nhỏ Ngoài ra rất khó duy trì tỷ lệ mã hợp lý trong OFDM khi số sóng mang con trở nên lớn hơn Nhìn chung khó có khả năng sử dụng kỹ thuật này

Trong sơ đồ sắp xếp chọn lựa, một ký hiệu OFDM được sử dụng để tạo ra nhiều thể hiện có cùng thông tin như ký hiệu gốc Mục cơ bản là chọn ra một ký hiệu có PAPR thấp

Độ lơi giảm PAPR tỷ lệ với số lượng các ký hiệu ứng cử, nhưng rất phức tạp

PTS giống như SLM, ký hiệu trong miền tần số được chia thành nhiều khối con rời rạc nhỏ hơn Mục đích là để thiết kế pha tối ưu cho tập sóng mang con này nhằm giảm thiểu PAPR Pha có thể được hiệu chỉnh tại máy thu Độ lợi giảm PAPR phụ thuộc vào số lượng các khối con và phương pháp phân đoạn Tuy nhiên PTS có độ phức tạp tỷ lệ hàm mũ với

số khối con

SLM và PTS là các kỹ thuật linh hoạt và hiệu quả, nhưng đều có nhược điểm

là phải thay đổi cấu trúc máy thu và phải phát thêm thông tin bổ sung (công suất và các ký hiệu) cần thiết để giải mã

7.8.2.3 Xáo trộn chọn lọc

Chuỗi bit sau mã hóa kênh được xáo trộn với các mã ngẫu nhiên hóa Sau đó mỗi chuỗi được xáo trộn được điều chế OFDM, và tín hiệu có công suất đỉnh thấp nhất được chọn để phát Sau giải điều chế OFDM tại phía thu, giải ngẫu nhiên (giải xáo trộn) và giải

mã kênh được thực hiện cho tất cả các chuỗi ngẫu nhiên có thể có Nhược điểm của phương pháp này là tăng độ phức tạp của máy thu vì phải thực hiện nhiều giải mã đồng thời

7.9 SỬ DỤNG OFDM CHO GHÉP KÊNH VÀ ĐA TRUY NHẬP

Hình 7.22 mô tả sử dụng OFDM cho đa truy nhập OFDM để có thể truyền dẫn đồng thời các đến/từ các máy đầu cuối bằng phân chia tần số Phương pháp này được gọi là ghép kênh các người sử dụng cho đường xuống (từ trạm gốc đến các máy đầu cuối di động) và đa truy nhập cho đường lên (từ các máy đầu cuối di động đến trạm gốc)

Hình 7.22 OFDM được sử dụng cho sơ đồ ghép kênh/đa truy nhập:

a) đường xuống, b) đường lên

Trên đường xuống, OFDM được sử dụng làm sơ đồ ghép kênh các người sử dụng Trong khoảng thời gian một ký hiệu OFDM, toàn bộ các sóng mang con khả dụng được chia

thành các tập con khác nhau và được gán cho các người sử dụng khác nhau để truyền đến các đầu cuối khác nhau (hình 7.22a)

Tương tự trên đường lên, OFDM được sử dụng làm sơ đồ đa truy nhập Trong khoảng thời gian một ký hiệu OFDM toàn bộ các sóng mang con khả dụng được chia thành các tập con khác nhau và được gán cho các người sử dụng khác nhau để truyền từ các đầu cuối khác nhau đến trạm gốc (hình 7.22b) Sơ đồ đa truy nhập đường lên (đường từ MS đến BS) sử dụng OFDM được gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access

Thông thường thuật ngữ OFDMA được sử dụng cho cả đường xuống và đường lên vì thế trong tài liệu này để đơn giản ta sẽ chỉ sử dụng thuật ngữ này cho các hai đường

Hình 7.22 giả thiết rằng các sóng mang con liên tiếp được sử dụng để truyền đến/từ máy di động đầu cuối Tuy nhiên các tập con sóng mang con được phân bố trên toàn bộ các sóng mang con khả dụng cũng được sử dụng để truyền đến/từ các máy đầu cuối di động (hình 7.23) Lợi ích của các sơ đồ OFDM phân bố là có thể nhận được phân tập tần số bổ sung trải rộng trên toàn băng thông rộng hơn cho từng đường truyền

Hình 7.23 Ghép kênh người sử dụng/OFDMA phân bố

Trong trường hợp OFDMA được sử dụng cho đường lên, tín hiệu OFDM phát đi từ các đầu cuối di động khác nhau được ghép kênh theo tần số, điều quan trọng là các truyền dẫn từ các đầu cuối ở các vị trí khác nhau so với trạm gốc phải đến trạm gốc một cách đồng

bộ theo thời gian Đặc biệt là sự mất đồng bộ giữa các truyền dẫn từ các đầu cuối di động khác nhau tại trạm gốc phải nhỏ hơn độ dài CP để đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con thu được từ các đầu cuối di động khác nhau để tránh nhiễu giữa các người sử dụng

Do khác nhau về khoảng cách từ các đầu cuối di động đến trạm gốc và vì thế dẫn đến khác nhau về thời gian truyền lan (sự khác nhau có thể vượt xa độ dài CP), nên cần phải điều khiển định thời phát của từng đầu cuối (hình 7.24) Điều khiển định thời phát nhằm điều chỉnh định thời phát của từng đầu cuối di động để đảm bảo rằng các truyền dẫn đường lên được đồng bộ tại trạm gốc Do thời gian truyền lan thay đổi khi đầu cuối di động chuyển động trong ô, điều khiển đinh thời phát phải là một quá trình tích cực liên tục điều chỉnh định thời phát cho từng đầu cuối di động

Phát từ UE

Thu tại BS

Không đồng chỉnh thời gian Có đồng chỉnh thời gian

UE#1 UE#2

UE#2 UE#1

Hình 7.24 Điều khiển định thời phát đường lên

Ngay cả khi điều khiển định thời phát hoàn hảo, vẫn luôn có một lượng nhiễu giữa các sóng mang con do sai số tần số Trong trường hợp sai số tần số hợp lý và trải Doppler nhỏ nhiễu này thường tương đối nhỏ Tuy nhiên điều này chỉ xẩy ra khi coi rằng các sóng mang con khác nhau được thu tại trạm gốc với công suất gần như nhau Trên đường lên do khoảng cách giữa các đầu cuối di động đến trạm gốc khác nhau vì thế suy hao đường truyền của các đường truyền này cũng có thể rất khác nhau Nếu hai đầu cuối phát cùng một công suất thì do khoảng cách khác nhau công suất tín hiệu thu tại trạm gốc từ hai đầu cuối này có thể rất khác nhau và vì thế tín hiệu thu từ trạm đầu cuối mạnh hơn sẽ gây nhiễu đối với tín hiệu thu yếu hơn cho dù vẫn duy trì được trực giao hoàn hảo giữa các sóng mang con Để tránh điều này cần phải thực hiện điều khiển công suất phát của các đầu cuối ở một mức độ nhất định đối với OFDMA đường lên bằng cách giảm công suất của đầu cuối ở gần trạm gốc để đảm bảo công suất của các tín hiệu thu gần như nhau

7.10 PHÁT QUẢNG BÁ VÀ ĐA PHƯƠNG TRONG NHIỀU Ô VÀ OFDM

Các dịch vụ quảng/ đa phương trong hệ thống thông tin di động cho phép cung cấp đồng thời thông tin cho nhiều đầu cuối di động Các dịch vụ này thường được trải rộng trên một vùng rộng lớn chứa nhiều ô như trên hình 7.25a Thông tin quảng bá/đa phương có thể

là một TV clip mới, thông tin về tính hình thời tiết địa phương, thông tin về thị trường chứng khoán tại một thời điểm cho trước và được nhiều người quan tâm

Khi cần cung cấp cùng một thông tin cho nhiều đầu cuối di động trong cùng một ô, tiện lợi nhất là cung cấp thông tin này bằng cách sử dụng một đường truyền dẫn vô tuyến quảng bá cho toàn ô đồng thời đến tất cả các đầu cuối di động liên quan (hình 7.25b), chứ không nên phát thông tin này bằng các đường truyền dẫn riêng cho từng đầu cuối di động (truyền đơn phương, hình 7.25c)

Vùng quảng bá

a) Phát quảng bá đa ô

b) Phát quảng bá đơn ô c) Phát đơn phương (unicast)

Hình 7.25 Phát quảng ba đa ô (a), đơn ô (b) và phát đơn phương (c)

Phát quảng bá trên hình 7.25b phải được định cỡ để có thể đạt đến các đầu cuối di động thu yếu nhất bao gồm cả các đầu cuối tại biên ô Điều này dẫn đến chi phí tài nguyên khá cao (công suất máy phát trạm gốc để có thể đạt được tốc độ số liệu dịch vụ cho trước) Một giải pháp cho vấn đề này là hạn chế tốc độ số liệu quảng bá để đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm giới hạn chẳng hạn đối với biên ô và đặc biệt là đối với các ô kích thước lớn Một giải pháp khác cho phép duy trì tốc độ số liệu quảng bá cao là giảm kích thước ô để tăng công suất thu tại biên ô Nhưng điều này dẫn đến tăng số lượng ô để đảm bảo vùng quảng bá cho trước và làm tăng giá thành triển khai hệ thống

Trong trường hợp phát quảng bá đa ô, có thể tiết kiệm tài nguyên mà vẫn đảm bảo tốc độ số liệu nếu các đầu cuối di động tại biên ô sử dụng công suất thu từ truyền dẫn quảng

bá của nhiều ô khi tách sóng/giải mã số liệu quảng bá Vì thế có thể đạt được độ lợi công suất lớn, nếu các đầu cuối có thể thu đồng thời và kết hợp các truyền dẫn quảng bá từ nhiều

ô trước khi tách tín hiệu và giải mã Phương pháp này được gọi là kết hợp mềm các truyền dẫn quảng bá/đa phương từ nhiều ô và đã được ứng dụng cho MBMS (Multimedia Broadcast/Mulricast Service: dịch vụ quảng bá/đa phương đa phương tiện) trong 3G WCDMA

Trong trường hợp 3G WCDMA, mỗi ô phát quảng bá trên đường xuống sử dụng một

mã ngẫu nhiên riêng vì thế đầu cuối có thể nhận biết tín hiệu từng ô trong quá trình kết hợp mềm Mặc dù kết hợp mềm tăng đáng kể công suất thu cho các đầu cuối tại biên ô, tuy nhiên truyền dẫn quảng bá từ các ô khác nhau vẫn gây nhiễu cho nhau Điều này làm hạn chế tỷ số tín hiệu trên nhiễu và vì thế giới hạn tốc độ số liệu

Một giải pháp để loại bỏ nhược điểm nói trên và cải thiện hơn nữa các dịch vụ quảng bá/đa phương trên mạng thông tin di động là đảm bảo rằng các truyền dẫn quảng bá từ các ô khác nhau hoàn toàn giống nhau và được phát đồng bộ theo thời gian Trong trường hợp này các truyền dẫn thu được từ các ô khác nhau nhìn từ đầu cuối di động thể hiện như một truyền dẫn duy nhất bị ảnh hưởng của truyền sóng đa đường (hình 7.26) Phát các tín hiệu giống nhau được đồng bộ theo thời gian, đặc biệt là trong trường hợp cung cấp các dịch vụ quảng bá/đa phương đôi khi được gọi là khai thác mạng đơn tần số (SFN: Single Frequency Network)

Nhìn từ đầu cuối di động:

Tương đương nhau

Hình 7.26 Tương đương giữa phát quảng bá đa ô được đồng bộ và truyền sóng đa đường

Trong trường hợp truyền dẫn từ nhiều ô giống nhau và được đồng bộ thời gian,

“nhiễu giữa các ô” do các truyền dẫn trong các ô lân cận xét từ đầu cuối sẽ được thay thế

bằng tín hiệu bị hỏng do tán thời Nếu truyền dẫn quảng bá sử dụng OFDM với CP bao phủ phần chính của tán thời, thì các tốc độ số liệu quảng bá chỉ bị giới hạn bởi tạp âm và điều này có nghĩa có thể đạt được tốc độ số liệu quảng bá rất cao đặc biệt là trong các ô nhỏ hơn Ngoài ra khác với kết hợp mềm đa ô của WCDMA MBMS, máy thu OFDM không cần nhận dạng các ô khi kết hợp mềm, vì tất cả các truyền dẫn nằm trong giới hạn của CP sẽ được máy thu ‘tự động’ bắt giữ (giống như trường hợp truyền sóng đa đườmg của một tín hiệu)

7.11 SO SÁNH DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG OFDMA VÀ CDMA

Điểm khác biệt chủ yếu giữa OFDMA và CDMA băng rộng (WCDMA) sử dụng máy thu RAKE là WCDMA bị ISI trong các kênh pha đinh đa đường Khi không xẩy ra đa đường (trường hợp pha đinh phẳng đơn đường), hiệu năng của OFDMA và CDMA là như nhau Sự khác biệt giữa hiệu năng giữa OFDMA và CDMA băng rộng phụ thuộc vào mức

độ của nhiễu đa đường Nói chung, viêc sử dụng các băng thông rộng trong các kênh tán thời đa đường dẫn đến nhiễu đa đường nhiều hơn và vì thế OFDMA được ưa chuộng hơn WCDMA

Trong phần này ta sẽ so sánh hiệu năng của OFDMA và WCDMA cho trường hợp trong đó hiệu năng của WCDMA bị giới hạn bởi nhiễu đa đường Đây là trường hợp điển hình cho các hệ thống băng thông rộng hơn và các các kênh tán thời cao mà ở đó OFDMA

được kỳ vọng là sẽ có ưu thế vợt trội WCDMA

Trong phần này ta sẽ nghiên cứu các dung lượng của các hệ thông CDMA và OFDMA dựa trên công thức đánh giá dung lượng kênh của Shannon chuẩn hóa cho băng thông 1 Hz:

2

C = log (1 +SNR ) [bit/s/Hz], (7.45) trong đó SNR là tỷ số tín hiệu trên tạp âm

7.11.1 Dung lượng CDMA băng rộng

Trong hệ thống WCDMA sử dụng máy thu RAKE, tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu (SINR) đối với tín hiệu thu từ đường thứ n, n có thể được biểu diễn như trong như sau :